CN114303038A - 用于感测应用的自混合干涉设备 - Google Patents

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Abstract

本文公开了自混合干涉测量(SMI)传感器，诸如可包括垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管和谐振腔光电探测器(RCPD)。公开了VCSEL二极管和RCPD的结构。在一些实施方案中，VCSEL二极管和RCPD横向相邻并由在公共基板上外延形成的一组公共半导体层形成。在一些实施方案中，第一VCSEL二极管和第二VCSEL二极管横向相邻并由在公共基板上外延形成的一组公共半导体层形成，并且RCPD形成在所述第二VCSEL二极管上。在一些实施方案中，VCSEL二极管可包括其间具有隧道结层的两个量子阱层。在一些实施方案中，RCPD可与VCSEL二极管垂直地集成。

Description

用于感测应用的自混合干涉设备
相关申请的交叉引用
本专利合作条约专利申请要求于2020年6月26日提交的名称为“Self-MixingInterference Device for Sensing Applications”的美国非临时专利申请第16/913,645号以及于2019年7月1日提交的名称为“Self-Mixing Interference Device for SensingApplications”的美国临时专利申请第62/869,442号的优先权，这些专利的内容全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管和相关联的光电探测器(PD)(诸如谐振腔光电探测器(RCPD))的结构和构型。VCSEL二极管和相关联的PD可以是测量或确定表面或物体的位移、距离、运动、速率或速度的传感器或检测器的一部分。此类检测器或传感器可涉及确定电子设备上的力或触摸输入。
VCSEL二极管和/或其相关联的RCPD可利用由VCSEL二极管发射的激光的反射或反向散射引起的自混合干涉。通过自混合干涉，所接收的反射在VCSEL二极管中引起所发射的激光从在不具有所接收的反射的情况下所发射的激光的状态变化或改变。所发射的激光的变化可与物体或目标(诸如电子设备的输入表面)的距离或运动相关。
背景技术
当今社会中电子设备是非常常见的。示例性电子设备包括移动电话、平板电脑、个人数字助理等。这些电子设备中的一些电子设备包括一个或多个输入元件或表面，诸如按钮或触摸屏，用户可通过该一个或多个输入元件或表面来施加触摸或按压，从而输入命令或数据。该触摸或按压可由电子设备的用于检测输入元件或表面的位移或运动的部件检测到。
此类检测部件可利用光源，在该光源中，将光束诸如激光朝向输入表面发射。对输入表面的位移或移动的检测可从来自该输入表面的所发射的激光的反射或反向散射来推断。
一种特定类别的此类检测部件可包括VCSEL二极管。VCSEL二极管可经历自混合干涉，其中其所发射的激光的反射被接收回到其激光腔中，并且将所发射的激光的特性(诸如波长)转变为与其在不存在所接收的反射的情况下(即，自由发射)不同的状态。在所接收的反射来自输入表面的情况下，该特性的转变可与该输入表面的位移或运动相关联。
发明内容
本发明内容提供用于以简化形式介绍一系列概念，这些概念在下文的具体实施方式中进一步描述。本发明内容并非意图识别要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图用作确定要求保护的主题的范围的辅助手段。
本文公开了自混合干涉测量传感器。该自混合干涉测量传感器可包括垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管和谐振腔光电探测器(RCPD)。该VCSEL二极管和RCPD可由一组公共半导体层形成。
在第一实施方案中，自混合干涉测量传感器可包括VCSEL二极管和与该VCSEL二极管横向相邻的RCPD。该VCSEL和该RCPD可包括形成在包括有源区层的公共基板上的一组公共半导体层。该VCSEL二极管和该RCPD可至少部分地由穿过该组公共半导体层的沟槽隔开，该沟槽延伸穿过有源区层。该VCSEL二极管可包括与该组公共半导体层堆叠的附加半导体层。
该VCSEL二极管被配置为在正向偏置下发射激光，并且经历由来自物体的所发射的激光的第一反射或反向散射引起的自混合干涉，该自混合干涉改变所发射的激光的特性。该RCPD可被配置为在由VCSEL二极管发射激光期间反向偏置，并且接收来自物体的所发射激光的第二反射或反向散射，并且该RCPD可产生与所发射激光的所改变的特性相关的能够测量的参数。
在另一个实施方案中，该附加半导体层可形成在该组公共半导体层上，并且可包括与该组公共半导体层相邻的蚀刻阻挡层，该蚀刻阻挡层可为磷化铟镓。偏置电源电接触件可连接到该附加半导体层中的离该组公共半导体层最远的层。在各种实施方案中，该VCSEL二极管可被配置为具有940纳米(nm)、850nm、1060nm的固有波长或另一固有波长。
在另一个实施方案中，自混合干涉测量传感器可包括第一VCSEL二极管和第二VCSEL二极管，该第二VCSEL二极管和该第一VCSEL二极管横向相邻。该第一VCSEL二极管和该第二VCSEL二极管包括形成在公共基板上的一组公共半导体层，该公共基板包括有源区层。该自混合干涉测量传感器还可包括RCPD，该RCPD被定位成在该第二VCSEL二极管的与该公共基板相对的一侧上与该第二VCSEL二极管垂直地相邻。该第一VCSEL二极管和该第二VCSEL二极管至少部分地由穿过该组公共半导体层的沟槽分开。
该第一VCSEL二极管可被配置为在正向偏置的同时发射激光，并且经历由接收来自物体的第一反射或反向散射引起的自混合干涉，该自混合干涉改变所发射的激光的特性。该RCPD和该第二VCSEL二极管可被配置为在由该第一VCSEL二极管发射激光期间反向偏置。该RCPD可被配置为接收来自物体的所发射的激光的第二反射或反向散射，并且所发射的激光的所改变的特性可能够使用该RCPD的所测量的参数来检测。
在一些实施方案中，该RCPD可包括隧道结层，该隧道结层包含第一半导体材料，该第一半导体材料可为不同于该有源区层中的第二半导体材料的砷化铟镓。在该RCPD和该第二VCSEL二极管之间可存在蚀刻阻挡层，该蚀刻阻挡层可为磷化铟镓。在一个示例中，该VCSEL二极管可被配置为发射具有940纳米的固有波长的激光，但在其他实施方案中，该VCSEL可具有850nm、1060nm的固有波长或另一固有波长。
有源区层可包括第一有源区层、第二有源区层，以及位于该第一有源区层和该第二有源区层之间的隧道结层。
在另一个实施方案中，自混合干涉测量传感器可包括VCSEL二极管和与该VCSEL二极管垂直地相邻的RCPD。该RCPD可包括形成在基板上的第一组半导体层，并且该VCSEL二极管可包括形成在与该基板相对的第一组半导体层上的第二组半导体层。该VCSEL二极管可被配置为在正向偏置时发射激光，并且在接收到来自物体的所发射的激光的反射或反向散射时发生自混合干涉，该自混合干涉改变所发射的激光的特性。该RCPD可被配置为在由该VCSEL二极管发射激光期间反向偏置，并且检测所发射激光的特性的改变。在该第一组半导体层和该第二组半导体层之间可存在蚀刻阻挡层，该蚀刻阻挡层可为磷化铟镓。该VCSEL二极管可被配置为发射具有940nm、850nm、1060nm的固有波长或另一固有波长的激光。
附图说明
本公开通过下面结合附图的具体描述将更易于理解，其中类似的附图标记表示类似的结构元件。
图1A示出了根据一个实施方案的使用垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管来感测物体的第一构型。
图1B示出了根据一个实施方案的使用VCSEL二极管和相关联的光电探测器(PD)来感测物体的第二构型。
图1C示出了根据一个实施方案的使用VCSEL二极管和垂直地集成的PD来感测物体的第三构型。
图2A示出了根据一个实施方案的激光二极管的示例性部件。
图2B示出了根据一个实施方案的激光器内的自混合干涉。
图2C是根据一个实施方案的来自经历自混合干涉的激光二极管的激光的功率变化相对于反馈腔长度的曲线图。
图3A示出了根据一个实施方案的VCSEL二极管的结构。
图3B示出了根据一个实施方案的另一个VCSEL二极管的结构。
图4示出了根据一个实施方案的自混合干涉测量(SMI)传感器的部件的构型。
图5A示出了根据一个实施方案的SMI传感器的部件的另一种构型。
图5B示出了根据一个实施方案的谐振腔光电探测器的部件的构型。
图6A示出了根据一个实施方案的SMI传感器的部件的另一种构型。
图6B示出了根据一个实施方案的VCSEL二极管内的两个有源区层和隧道结的能带图。
图6C示出了根据一个实施方案的用于VCSEL二极管内的两个有源区层和隧道结的等效电路。
图7A示出了根据一个实施方案的用于自混合干涉测量传感器的制造和外延生长工艺。
图7B示出了根据一个实施方案的用于图7A的自混合干涉测量传感器的倒装芯片和基板移除工艺。
图8示出了根据一个实施方案的自混合干涉测量传感器的部件的构型。
图9示出了根据一个实施方案的自混合干涉测量传感器的部件的构型。
图10示出了根据一个实施方案的有源区层的量子阱构型。
附图中的交叉影线或阴影的用途通常被提供以阐明相邻元件之间的边界并还有利于附图的易读性。因此，存在或不存在无交叉影线或阴影均不表示或指示对特定材料、材料属性、元件比例、元件尺寸、类似图示元件的共同性或在附图中所示的任何元件的任何其他特性、性质、或属性的任何偏好或要求。
此外，应当理解，各个特征部和元件(以及其集合和分组)的比例和尺寸(相对的或绝对的)以及其间呈现的界限、间距和位置关系在附图中被提供，以仅用于促进对本文所述的各个实施方案的理解，并因此可不必要地被呈现或示出以进行缩放并且并非旨在指示对所示的实施方案的任何偏好或要求，以排除结合其所述的实施方案。
具体实施方式
现在将具体地参考在附图中示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述不旨在将实施方案限制于一个优选实施方案。相反，其旨在涵盖可被包括在由所附权利要求书限定的所述实施方案的实质和范围内的另选形式、修改形式和等同形式。
本文所述的实施方案涉及自混合干涉测量传感器(诸如可用于触摸或输入传感器)及其结构。此类自混合干涉测量传感器可使用垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管和相关联的谐振腔光电探测器(RCPD)。电子设备可在检测输入表面诸如触摸屏的位移、距离、运动、速率或速度的过程中使用此类自混合干涉测量传感器。在下文中，为方便起见，所有此类可能的所测量的参数将被简称为“位移或运动”。
此类自混合干涉测量传感器通过施加正向偏置使一个或多个VCSEL二极管朝向输入表面或物体(下文中仅为“物体”)发射激光来检测位移或运动。来自该输入表面或物体的所发射的激光的反射可被接收回到VCSEL二极管的激光腔中。这可引起自混合干涉，其中所发射的激光的波长转变到新的所改变的值。波长的这种转变可与物体的位移或运动相关。
所发射的激光的其他反射可由RCPD同时检测到，该RCPD的结构可包括p-n二极管结。在反向电压偏置下，没有显著的电流流过该RCPD的p-n结。但是所接收的所发射激光的反射可在该p-n结上引起光电流。该光电流的强度或另一个相关的干涉特性可与所接收的反射的波长相关，继而可与所发射的激光的所转变波长相关。包括在该自混合干涉测量传感器中的处理电路(例如，处理器或其他电路)随后可能够推断物体的距离或运动值。
下文所述的各种实施方案描述了作为此类自混合干涉测量传感器的部件的一个或多个VCSEL二极管和RCPD的结构或构型。VCSEL二极管和RCPD可由一组公共半导体层形成，该组公共半导体层由公共基板外延形成，然后由蚀刻沟槽在电气上分开。除了外延生长之外或代替外延生长，还可使用形成该组公共半导体层的另选方法。为了便于说明，在下文中将该组公共半导体层的沉积或生长描述为外延形成，但本领域的技术人员将认识到，另选方法在本公开的范围内。RCPD随后与VCSEL二极管横向相邻。在一些实施方案中，该自混合干涉测量传感器可包括两个VCSEL二极管，这两个VCSEL二极管均由一组公共半导体层形成，其中第一个VCSEL二极管可操作以发射激光，并且第二个VCSEL二极管反向偏置并且在顶部具有垂直地相邻的RCPD以接收所发射的激光的反射。在该构型中，另外的实施方案可包括第一个VCSEL二极管内的隧道结。
另外的和/或另选的实施方案可利用另一种构型，其中VCSEL二极管在RCPD上外延形成。该VCSEL二极管的激光中的一些激光也被发射到RCPD中，并且直接测量是对该VCSEL二极管或该RCPD中的任一者的一个或多个干涉特性进行的。
以下参照图1A至图10对这些实施方案和其他实施方案进行描述。然而，本领域的技术人员将容易地理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅出于说明性目的，而不应被理解为是限制性的。
图1A至图1C示出了示例性构型，其中VCSEL二极管可用于自混合干涉测量传感器内以检测物体的诸如可由用户的触摸或力输入引起的位移或运动。这三种构型示出了可在VCSEL二极管中引起自混合干涉的方式，以及可监测此类自混合干涉的方式。
图1A示出了利用VCSEL二极管102的自混合干涉测量传感器的构造100，其中VCSEL二极管102被配置为发射激光106，激光106可朝向物体110。VCSEL二极管102可在其二极管结构的正向电压偏置(或简称“正向偏置”)下发射激光106。在这样的正向偏置期间，偏置电流I偏置104流过VCSEL二极管102。穿过VCSEL二极管102的p-n结的电荷载流子可引起来自VCSEL二极管102的激光发射。
可存在所发射的激光106的反射112，该反射可从物体110沿多个方向行进。反射112中的一些反射可被接收回到VCSEL二极管102的激光腔中，使该VCSEL二极管经历自混合干涉并改变所发射的激光106的特性或VCSEL二极管102自身的电特性。例如，电压监测器108可检测VCSEL二极管102的结电压的变化，该变化与物体110的距离或运动相关。
图1B示出了使用VCSEL二极管122的输入或物体检测传感器的构型120。在正向电压偏置下，VCSEL二极管122发射激光106穿过居间玻璃层128朝向物体110。玻璃层128可引起所发射的激光106的一些反射107。正向电压偏置引起偏置电流I偏置124流过VCSEL二极管122。可存在来自物体或目标的所发射的激光106的反射112，其中一些可被接收回到VCSEL二极管122的激光腔中，从而使该VCSEL二极管经历自混合干涉并改变所发射的激光106的特性。来自玻璃层128的反射107还可影响VCSEL二极管122如何经历自混合干涉。然而，如果物体距玻璃层128至少一定的最小距离，与自混合干涉相关联的电信号的光谱分析可允许将电信号中的由来自玻璃层128的反射107引起的自混合干涉引起的第一效应与由来自物体的反射112引起的自混合干涉引起的第二效应分离。在一些实施方案中，物体与玻璃层128之间的间距为至少100μm就足够了。
构型120可包括光电探测器(PD)126，该光电探测器可操作以接收来自物体110的反射112中的一些反射。所发射的激光106的改变继而可改变PD 126的电特性，该电特性可为能够检测的。例如，PD 126的偏置电流IPD的改变可由电流监测器130检测。
图1C示出了使用VCSEL二极管142的自混合干涉测量传感器的构型140。在正向电压偏置下，VCSEL二极管142可朝向物体110发射激光106。正向电压偏置引起偏置电流I偏置144流过VCSEL二极管142。
所发射的激光106的反射112中的一些反射可被接收在VCSEL二极管142内，使得该VCSEL二极管经历自混合干涉并改变所发射的激光106的特性。VCSEL二极管142可包括集成PD 146。PD 146可检测由于自混合干涉引起的VCSEL二极管142中的操作变化。例如，VCSEL二极管142还可将一些激光向下发射到PD 146中。由于自混合干涉引起的所发射激光106的任何改变也可发生在向下发射的激光中，并且引起PD 146的操作变化。例如，PD 146的偏置电流IPD可由电流监测器132检测。
图2A至图2C示出了激光二极管中的所发射的激光的自混合干涉的特性。这些说明仅旨在描述理解所公开的实施方案所需的自混合干涉的某些方面。自混合干涉的其他方面对于本领域的技术人员将是显而易见的。
图2A示出了可用作自混合干涉测量传感器的一部分的激光二极管200的示例性构型，诸如上述VCSEL二极管102、122和142中的任一者。在任何类型的激光器中，输入能量源使得腔内的增益材料发射光。该腔的相对的两端部的反射镜202和204将光反馈回到增益材料中，以引起光的放大并使光变得相干，并且(大部分)具有单一波长。这些反射镜中的一个反射镜中的孔允许激光透射(例如，朝向物体或输入表面透射)。
在激光二极管200中，在腔的相对两端上存在两个反射镜：202和204。在腔206内发生激光。就VCSEL二极管而言，两个反射镜202和204可被实现为分布式布拉格反射器，它们是交替的高折射率层和低折射率层。腔206包含增益材料，该增益材料可包括III-V族半导体的多个掺杂层。下文将针对各种实施方案呈现半导体材料的具体细节。所发射的激光210可穿过激光二极管200的最顶层或表面发射。在一些VCSEL二极管中，相干光也可穿过底层发射。
图2B示出了激光器内的自混合干涉(或也称为“光学反馈”)的功能图。在图2B中，腔206被示为重新取向，使得所发射的激光210从腔206向右发射。腔206具有在制造时确定的固定长度。所发射的激光210远离腔206行进，直到该激光与输入表面或另一物体(诸如上文相对于图1A至图1C所述的物体110)相交或投射在其上。从发射点通过所发射的激光210的反射镜204到达目标216的距离间隙被称为反馈腔208。由于目标216可相对于激光二极管200移动，所以反馈腔208的长度L是可变的。
所发射的激光210被目标216反射回到腔206中。反射光212进入腔206以与初始发射的激光210相干地相互作用。这导致用新发射的激光214示出的新状态。处于该新状态的新发射的光214可具有与所发射的激光210在没有反射和自混合干涉的情况下将具有的特性不同的特性(例如，波长或功率)。
图2C是示出新发射的激光214的功率随反馈腔208的长度L(即，从发射点穿过发射的激光210的反射镜204到目标216的距离)的变化的曲线图220。该曲线图示出具有周期λ/2的主要正弦变化。理论考虑因素暗示该变化由比例关系式给定：ΔP∝cos(4πL/λ)。该关系通常在不存在强镜面反射的情况下成立。就此类强镜面反射而言，余弦变得失真，即，在该关系中存在高阶谐波。然而，峰到峰间距保持在λ/2。对于初始静止的目标216，该关系可用于确定已发生偏转。结合其他技术，诸如对已完成的周期数进行计数，还可确定偏转的范围。
虽然曲线图220示出了新发射的激光214的功率随反馈腔208的长度L的变化，但类似的结果和/或曲线图可适用于VCSEL二极管或其他类型的激光二极管的通过自混合干涉测量传感器测量的其他干涉特性。自混合干涉测量传感器对一个或多个此类干涉测量参数的测量可用于从激光二极管200推断目标216的位移或运动。
现在将相对于图3A至图3B呈现VCSEL二极管的结构的更多细节。
图3A至图3B示出了VCSEL二极管的结构和操作的两种示例性构型。下文将描述的实施方案可利用这些结构或其变型。本领域的技术人员将认识到其他构型和变型在本公开的范围内的。
图3A示出了处于正向偏置下并朝向物体110发射激光306a的VCSEL二极管302的第一构型300。在正向偏置下，偏置电流304(I偏置)流入VCSEL二极管302，其中的一些或全部电流返回接地层或接触件312。
如前所述，所发射的激光306a的一些反射112可被接收回到VCSEL二极管302中以引起自混合干涉。反射112中的一些反射也可变成朝向光电探测器(未示出)的反射光314a，如上文相对于图1B所述。
VCSEL二极管302可包括发射侧(或“顶侧”)分布式布拉格反射器303a，该反射器用作激光结构的第一(或“发射侧”)反射镜。发射侧分布式布拉格反射器303a可包括具有不同折射率的一组成对的交替材料。每个此类交替材料对在本文中将被称为布拉格对。发射侧分布式布拉格反射器303a中的材料中的一种或多种材料被掺杂成p型，并且因此形成p-n二极管结的阳极区段的一部分。可用于形成发射侧分布式布拉格反射器303a的示例性材料对为砷化铝镓(AlGaAs)和砷化镓(GaAs)。
VCSEL二极管302可包括用作激光器的第二(或“基部侧”)反射镜的基部侧分布式布拉格反射器303b。基部侧分布式布拉格反射器303b也可包括具有不同折射率的交替材料的一组布拉格对。基部侧分布式布拉格反射器303b中的材料中的一种或多种材料被掺杂成n型，并且因此形成p-n二极管结构的阳极区段的一部分。可用于形成基部侧分布式布拉格反射器303b的示例性材料对为砷化铝和GaAs。
VCSEL二极管302可包括部分地用作激光腔的有源区层318。在激光二极管诸如VCSEL二极管302中，有源区层可包括一个或多个量子阱。VCSEL二极管302的有源区层318可与氧化物层316相邻，该氧化物层具有孔，所发射的激光306a穿过该孔离开。
VCSEL二极管302可通过用于发射侧分布式布拉格反射器303a和基部侧分布式布拉格反射器303b、有源区层318和氧化物层316以及可能的其他层中的每一者的层的外延生长来形成。这些各种层可通过在基板层308上外延生长而形成，之后形成接地层或接触件312。电源接触件305a、305b可形成在VCSEL二极管302的最外侧(即，发射侧)层上。虽然在图3A中被示出为分开的，但电源接触件305a、305b可连接，诸如以在VCSEL二极管302的顶侧上形成例如环形或马蹄形连接。
VCSEL二极管302可另选地通过从基板外延生长来形成，首先是用于发射侧分布式布拉格反射器303a的层。随后可诸如通过蚀刻或切割以及用于将VCSEL二极管302附接到另一个基板或电路的倒装芯片工艺将基板与基板分开，使得发射侧分布式布拉格反射器303a被配置为发射激光306a。
图3B示出了处于正向偏置下并朝向物体110发射激光306b的VCSEL二极管322的第二构型320。所发射的激光306b的一些反射112可被接收回到VCSEL二极管322中以引起自混合干涉。反射112中的一些其他反射也可变成沿着朝向光电探测器(未示出)的方向被引导的反射光314b，如上文相对于图1B所述。
VCSEL二极管322的构型320具有与VCSEL二极管302的构型300相同的许多特征，诸如具有从基板层308延伸的多个半导体层，接地层或接触件312附接到该基板层。还如针对VCSEL二极管302所述的是电源接触件305a、305b，其可形成在VCSEL二极管322的最外侧(即，发射侧)层上，并且其可如针对构型300所述。VCSEL二极管322还可包括有源区层318和氧化物层316，这两个层可如针对构型300所述。VCSEL二极管322可包括基部分布式布拉格反射器323b，其可如上文关于基部侧分布式布拉格反射器303b所述。
VCSEL二极管322可包括发射侧(或“顶侧”)分布式布拉格反射器323a，该布拉格反射器不同于VCSEL二极管302的布拉格反射器。发射侧分布式布拉格反射器323a可包括在制造期间用作蚀刻阻挡层的层。本领域的技术人员将认识到，各种材料可用作蚀刻阻挡层。一种此类材料为磷化镓铟(InGaP)，其可具有InxGa1-xP(对于0≤x≤1)形式的组成。由于蚀刻阻挡层和GaAs/AlGaAs层之间的蚀刻速率的显著差异，蚀刻阻挡层可使得湿法化学蚀刻能够在蚀刻阻挡层处停止。在蚀刻阻挡层处停止之后，可使用不同的化学溶液来仅移除蚀刻阻挡层而不显著蚀刻掉下面的GaAs或AlGaAs层。通过使用该方法，可将蚀刻阻挡层插入外延层叠堆中的任何位置作为蚀刻阻挡层，使得可在蚀刻阻挡层下方的层和在该层上放置的腔内接触件处停止蚀刻。本领域的技术人员将会知道，这种蚀刻阻挡层可以是InGaP或另一种材料，只要该材料在某些化学溶液下的蚀刻速率显著不同于要阻挡的层(诸如GaAs和/或AlGaAs层)。
在一些实施方案中，VCSEL二极管302和322可被配置为发射大约940纳米(nm)的固有波长的相应激光306a和306b，固有波长是当没有由于由相应所发射的激光306a、306b的反射引起的自混合干涉引起的改变时相应所发射的激光306a、306b的波长。在其他实施方案中，固有波长可以是850nm、1060nm或另一固有波长。在下文中，仅为了便于说明，将讨论具有940nm的固有波长的VCSEL的实施方案。本领域的技术人员将认识到，这些实施方案可用具有另一固有波长的VCSEL来实现。由于有意施加关于恒定(DC)值的I偏置的调制，固有波长可在约940nm的范围内变化。例如，在一些实施方案中，可将三角或正弦调制应用于I偏置。此类偏置可通过自混合干涉测量传感器施加，作为确定物体110的位移或运动的一部分。作为一个示例，I偏置的这种调制的振幅可以是大约1mA，并且引起波长从940nm的固有波长的大约0.5nm的自混合干涉转变。在其他实施方案中，VCSEL二极管302和322可被配置为发射不同固有波长的相应激光306a和306b，并且使用不同的调制振幅来产生与固有波长的不同的自混合干涉波长转变。
具体构型300和320是示例性的；本领域的技术人员将认识到该构型在本公开范围内的变型。VCSEL二极管302和322的结构及其变型可为现在将描述的自混合干涉测量传感器的一部分。
图4示出了自混合干涉测量传感器的构型400的至少一部分的实施方案。该自混合干涉测量传感器可包括至少两个部件：VCSEL 402和谐振腔光电探测器(RCPD)406，前者可操作以在正向偏置时朝向物体110发射激光306b，后者可操作以检测所发射的激光306b的所有反射112中的反射光314b。所发射的激光306b的反射112中的一些反射可被接收回到VCSEL 402中并引起自混合干涉，该自混合干涉改变例如所发射的激光306b的波长。
在图4所示的实施方案中，VCSEL二极管402具有图3B的VCSEL二极管322的构型。然而，VCSEL二极管402可具有另一种构型，诸如图3A的VCSEL二极管302的构型。在图4的具体实施方案中，VCSEL二极管402可包括基部侧分布式布拉格反射器403b、包括蚀刻阻挡层424(其可为InGaP)的发射侧分布式布拉格反射器403a、有源区层418和氧化物层416。
图4所示的实施方案可包括与VCSEL二极管402横向相邻定位的RCPD 406。VCSEL二极管402和RCPD 406两者定位在公共基板408上。公共基板408可包括接地接触件或层412。下面将呈现关于VCSEL二极管402和RCPD 406的结构和制造的更多细节。
在图4的实施方案中，RCPD 406具有类似于图3A的VCSEL二极管302的结构的结构。具体地，RCPD 406可包括n型掺杂基部侧分布式布拉格反射器407b。有源区层418和氧化物层416延伸到RCPD 406中，如以下进一步说明的。RCPD 406还可包括p型掺杂顶侧分布式布拉格反射器407a，使得RCPD 406形成p-n结。在图4的实施方案中，发射侧分布式布拉格反射器407a具有比VCSEL二极管402的发射侧分布式布拉格反射器403a更少的层。
VCSEL二极管402和横向相邻的RCPD 406中的每一者具有相应的电源接触件。对于VCSEL二极管402，假设电源接触件405a和405b是电连接的，并且附接到形成VCSEL二极管402的半导体层的最顶部(离公共基板408最远)。施加到电源接触件405b的正向偏置电压+V偏置可导致电流I偏置流过由p型发射侧分布式布拉格反射器403a和n型基部侧分布式布拉格反射器403b形成的p-n二极管结，并且在接地接触件或层412处被收集。对于RCPD，假设电源接触件417a和417b是电连接的，并且附接到形成RCPD 406的半导体层的最顶部。
RCPD 406可在VCSEL二极管402正向偏置的时间的至少一部分期间反向偏置。该反向偏置可由施加在电源接触件417b处的负电压(由-VPD指示)施加。在反向偏置时，RCPD 406可作为光电探测器操作。在这样操作时，反射光314b可投射在RCPD 406的最顶层上，其中一些变为二次反射414b，而其他变为吸收光414a。在所施加的反向偏置下，没有显著的电流流过RCPD 406的p-n结。但吸收光414a可引起电荷载流子穿过结并产生光电流IPD。来自VCSEL二极管402的所发射的激光306b的变化可产生光电流IPD的对应的能够检测的变化。自混合干涉测量传感器随后可使用那些能够检测的变化来推断物体110的位移或运动。
VCSEL二极管402和RCPD 406两者可由一组公共半导体层形成，该组公共半导体层在公共基板408上外延形成。即，用于基部侧分布式布拉格反射器403b和407b、有源区层418、氧化物层416的各种半导体层以及用于发射侧分布式布拉格反射器403a和407a的层可顺序地施加到公共基板408，该公共基板408可为半导体材料或另一种类型的基板，诸如蓝宝石、玻璃或另一种材料。
在外延形成所有半导体层之后，可诸如通过蚀刻或另一种工艺来移除各个位置处的各个层。在下文中，蚀刻将表示在制造期间从半导体移除材料的任何已知方法。在图4的实施方案中，穿过半导体层蚀刻沟槽410，包括穿过有源区层418。在一些实施方案中，沟槽410可延伸穿过公共基板408，但这不是必需的。沟槽410可在VCSEL二极管402和RCPD 406之间提供电分隔，从而允许每一者的交替偏置。
在图4的实施方案中，用于发射侧分布式布拉格反射器403a的半导体层中的一些半导体层(例如蚀刻阻挡层424及其上方的层)也初始在RCPD 406的位置处外延形成，但随后通过蚀刻移除。用于移除那些半导体层的第一目的是提供对反射光314b的更高吸收。第二目的是允许反射光314b的更宽接受角：吸收光414a可以与法线成更大角度进入RCPD 406并且仍然进入有源区层。其他优点也是可能的。
本领域的技术人员将认识到，图4所示的VCSEL二极管402和相关联的RCPD 406，以及本文所公开的每个实施方案中所示的各种VCSEL二极管和RCPD，可以是自混合干涉测量传感器内使用的此类元件的阵列的一部分。该组公共半导体层的外延形成可允许更有效地形成此类阵列。
在一些实施方案中，在该组公共半导体层中的具体层的形成期间，可使用诸如掩蔽和掺杂的技术来改变特定层的掺杂或化学组成。例如，在有源区层418的外延形成期间，其掺杂类型或化学组成可在RCPD 406的位置处改变。这可允许改善对吸收光414a的检测。
图5A至图5B示出了自混合干涉测量传感器500的构型的某些细节。该自混合干涉测量传感器可包括形成在公共基板508上的第一VCSEL二极管502、结构类似的横向相邻的第二VCSEL二极管522，以及与第二VCSEL二极管522垂直地相邻的谐振腔光电探测器(RCPD)532。接地接触件或接地层512可附接到公共基板508的与第一VCSEL二极管502相对的一侧。
第一VCSEL二极管502的结构可类似于图3A的VCSEL二极管302。在图5A的实施方案中，第一VCSEL二极管502可包括基部侧分布式布拉格反射器503b，其可如先前所述的那些。第一VCSEL二极管502可包括有源区层518和其上方(即，在有源区层518的与公共基板508相对的一侧上)的氧化物层516。第一VCSEL二极管502可包括发射侧分布式布拉格反射器503a，其可如先前所述的那些。可连接的电源接触件505a和505b附接到第一VCSEL二极管502的发射侧。如前所述，发射侧分布式布拉格反射器503a可具有p型掺杂并且基部侧分布式布拉格反射器503b可具有n型掺杂以形成二极管p-n结结构。
可在电源接触件505b处施加正向电压偏置(示出为+V偏置)。对第一VCSEL二极管502正向偏置的情况下，偏置电流I偏置将流过p-n结并在接地接触件或层512处被接收。在所施加的正向偏置期间，第一VCSEL二极管可发射激光306a，诸如朝向物体(未示出)，诸如先前所述的物体110。
第二VCSEL二极管522的结构可与第一VCSEL二极管502类似，诸如通过从一组公共半导体层形成，如下所述。在图5A至图5B的实施方案中，第二VCSEL二极管522可包括基部侧分布式布拉格反射器523b、有源区层518的分开的延伸部、氧化物层516的分开的延伸部，以及发射侧分布式布拉格反射器523a。可连接的电源接触件535a和535b连接到与第一VCSEL二极管502的最顶部(发射侧)半导体层平行的半导体层。
自混合干涉测量传感器500可包括形成在第二VCSEL二极管522的发射侧分布式布拉格反射器503a上的RCPD 532。蚀刻阻挡层533(其可为InGaP)可位于RCPD 532和第二VCSEL二极管522之间。在第一VCSEL二极管502正向偏置以发射激光306a的时间的至少一部分期间，可通过在电源接触件535a、535b处施加负电压来使第二VCSEL二极管522反向偏置。这可减少对光电探测器电流IPD 536的不期望的贡献，如现在将参考图5B说明的。
图5B示出了RCPD 532的更多细节。RCPD 532的结构可类似于VCSEL二极管。在图5B的实施方案中，RCPD 532可包括基部侧分布式布拉格反射器534b、光电探测器有源区层538和发射侧分布式布拉格反射器534a。基部侧分布式布拉格反射器534b可具有p型掺杂并且发射侧分布式布拉格反射器534a可具有n型掺杂以形成二极管p-n结。
RCPD 532在其发射侧分布式布拉格反射器534a的最顶层上具有电源接触件537a和537b。电源接触件537a和537b可诸如通过成为同一电源接触件的部件来连接，如前所述。
在第一VCSEL二极管502正向偏置以发射激光306a的时间期间，第二VCSEL二极管522可由施加到电源接触件535a和535b的负电压-VPD反向偏置。也可通过将电源接触件537a和537b设置到地(0V)而使RCPD532反向偏置。当反射光314a投射在RCPD 532上时，一些反射光可能被吸收并且导致光电探测器电流IPD的变化。光电探测器电流IPD的这些变化可与由第一VCSEL二极管502中发生的自混合干涉引起的反射光314a的变化相关。处理电路(未示出)可测量光电探测器电流IPD的这些变化，并且推断引起反射光314a的物体的位移或运动，如前所述。
在各种实施方案中，发射侧分布式布拉格反射器534a中的布拉格对的数量小于基部侧分布式布拉格反射器523b中的布拉格对的数量。这可为RCPD 532提供对反射光314a的增大的接受角。这可导致改善的信噪比，诸如在IPD中。在一个实施方案中，4个布拉格对用于发射侧分布式布拉格反射器534a，并且11个布拉格对用于基部侧分布式布拉格反射器534b。
各种优点归因于自混合干涉测量传感器500的构型。在反向偏置下，RCPD 532和第二VCSEL二极管522可形成为充当针对所发射的激光306a的波长的选择性波长过滤器。另一个优点是光电探测器有源区层538可以是InGaAs或可包括InGaAs。InGaAs具有与AlGaAs的晶格结构不相容的晶格结构，后者可为用作与光电探测器有源区层538相邻的分布式布拉格反射器的一部分的材料。由于光电探测器有源区层538中的InGaAs具有比第一VCSEL二极管502和第二VCSEL二极管522中的各种半导体层更有限的厚度，因此存在更小的机械应力。在又一个优点中，光电探测器有源区层538可形成有与有源区层518的掺杂或化学组成不同的掺杂或化学组成。
自混合干涉测量传感器500的构型可如上文针对图4的自混合干涉测量传感器所述的那样形成。第一VCSEL二极管502和第二VCSEL二极管522两者可由一组公共半导体层形成，该组公共半导体层在公共基板508上外延形成。用于RCPD 532的另外的半导体层可随后在那些层上外延形成。随后可使用蚀刻来形成沟槽510并从第一VCSEL二极管502的位置上方、从电源接触件535a和535b的位置上方以及可能地从其他所需位置移除为RCPD 532添加的另外的半导体层。
图6A至图6C示出了图5A至图5B所示实施方案的变型。相对于图6A至图6C所述的实施方案可提供强反馈信号，诸如通过如上所述的IPD中的信噪比测量的。相对于图6A至图6C所述的实施方案涉及减小用作激光器的一个反射镜的发射侧分布式布拉格反射器的内反射率。诸如通过增加所发射的激光的量来减小内反射率允许来自物体的更强的反射，并且因此允许更强的反射被相关联的RCPD吸收。但是减小的内反射率可能会不利于VCSEL二极管达到用于产生激光的阈值。相对于图6A至图6C所述的实施方案允许通过减小用于产生激光的阈值来减小发射侧分布式布拉格反射器的反射率。这通过在一个或多个有源区层中包括隧道结来实现。现在将详细描述这些考虑因素。
图6A示出了自混合干涉测量传感器600的构型，其类似于针对自混合干涉测量传感器500所述的构型。自混合干涉测量传感器600可包括第一VCSEL二极管602和与第一VCSEL二极管602横向相邻的第二VCSEL二极管622，两者均由公共基板608上的一组公共半导体层形成。接地层或接触件612形成在公共基板608的与第一VCSEL二极管602相对的一侧上。自混合干涉测量传感器600还可包括与第二VCSEL二极管622的与公共基板相对的一侧垂直地相邻的谐振腔光电探测器(RCPD)632。
第一VCSEL二极管602可包括发射侧分布式布拉格反射器603a和基部侧分布式布拉格反射器603b。第一VCSEL二极管602可包括可连接的电源接触件605a和605b，该电源接触件可与该组公共半导体层的最顶部相邻或在发射侧分布式布拉格反射器603a的最顶部层上。
第一VCSEL二极管602可包含定位在发射侧分布式布拉格反射器603a和基部侧分布式布拉格反射器603b之间的第一有源区层618a和第二有源区层618b两者，其中第一有源区层618a邻近发射侧分布式布拉格反射器603a。第一VCSEL二极管602可包括位于第一有源区层618a和发射侧分布式布拉格反射器603a之间的氧化物层616。第一VCSEL二极管602可包含n掺杂的第一隧道结层624a和p掺杂的第二隧道结层624b。第一隧道结层624a和第二隧道结层624b被定位在第一有源区层618a和第二有源区层618b之间。隧道结层624a、624b的结构和操作性的更多细节将在下文中参照图6B至图6C示出。
第二VCSEL二极管622可包括发射侧分布式布拉格反射器623a和基部侧分布式布拉格反射器623b。第二VCSEL二极管622可包括可连接的电源接触件635a和635b，该电源接触件与该组公共半导体层的最顶部相邻。
自混合干涉测量传感器600还可包括RCPD 632，该RCPD由与第二VCSEL二极管622的发射侧分布式布拉格反射器623a相邻并从该布拉格反射器垂直地延伸的附加半导体层形成。RCPD 632可包括蚀刻阻挡层633，其可为InGaP，该蚀刻阻挡层与发射侧分布式布拉格反射器623a的半导体层的最顶部相邻。RCPD 632可包括有源区层638。RCPD 632可包括定位在附加半导体层的最顶部上的可连接的电源接触件637a和637b。
自混合干涉测量传感器600可通过向电源接触件605a、605b施加正向电压偏置+V偏置以引起激光306a的激光产生和发射来操作。所发射的激光306a中的一些激光可从物体(未示出)反射并被接收回到第一VCSEL二极管602中并在其中引起自混合干涉，这可引起所发射的激光306a改变为新波长。所发射的激光306a的其他反射变为朝向RCPD 632的反射光314b。RCPD 632和第二VCSEL二极管622在第一VCSEL二极管602发射激光306a的时间的至少一部分反向偏置。该反向偏置可作为施加在电源接触件635a、635b处的负电压-VPD而施加。反射光314b可进入RCPD 632并引起光电探测器电流IPD。如前所述，该光电流可随后成为处理器或处理电路的输入，该处理器或处理电路可推断新波长的值和/或反射物体的距离或运动。
自混合干涉测量传感器600可如前所述那样形成。用于第一VCSEL二极管602和第二VCSEL二极管622的一组公共半导体层在公共基板608上外延形成。随后可在该组公共半导体层上外延形成用于RCPD 632的附加半导体层。蚀刻随后可移除在第一VCSEL二极管602的位置上方形成的任何附加半导体层。蚀刻还可移除该组公共半导体层的一部分以形成沟槽610。沟槽610可延伸穿过第一有源区层618a和第二有源区层618b。
图6B示出了第一VCSEL二极管602中的第一VCSEL有源区618a和第二VCSEL有源区618b以及两个隧道结层624a、624b的能带图640。能带图640示出了表示为Ec的导带和表示为Ev的价带的相对位置。邻近第一有源区层618a的第一隧道结层624a可为高掺杂(例如，掺杂水平大于1×1019cm-3)n型半导体，诸如所示的高掺杂n型(n++)GaAs。邻近第二有源区层618b的第二隧道结层624b可为高掺杂p型半导体，诸如所示的高掺杂p型(p++)GaAs。在其他实施方案中，隧道结层可使用GaAs之外的半导体材料。此类半导体材料的非限制性集合包括AlxGa1-xAs(0≤x≤1)、InP、InxGa1-xAs(0≤x≤1)、In1-x-yAlxGayAs(0≤x≤1，0≤y≤1)和InxGa1-xAsyP1-y(0≤x≤1，0≤y≤1)。
第一有源区层618a可包括至少三个区段：邻近发射侧分布式布拉格反射器603a的p型掺杂砷化铝镓(AlGaAs)642a顶部区段，邻近第一隧道结层624a的n型掺杂砷化铝镓(AlGaAs)642b底部区段，以及形成量子阱的交替对的本征InGaAs和AlGaAs 642c中心区段。
第二有源区层618b可包括至少三个区段：邻近第二隧道结层624b的p型掺杂AlGaAs 644a顶部区段，邻近基部侧分布式布拉格反射器603b的n型掺杂砷化铝镓(AlGaAs)644b底部区段，以及形成量子阱的交替对的本征InGaAs和AlGaAs 644c中心区段。
图6C示出了指示第一VCSEL二极管602的各个层的功能的电路模型650，为便于说明，将其水平地示出。第一隧道结层624a和第二隧道结层624b一起用作将第一有源区层618a和第二有源区层618b分开的电阻器。第一有源区层618a和第二有源区层618b各自被建模为二极管。如在图5的实施方案中那样，单个有源区层本身可能不足以在发射侧反射镜(诸如发射侧分布式布拉格反射器603a)的反射率减小以便产生更多的所发射激光时提供足够的增益来产生激光。由第一隧道结层624a和第二隧道结层624b提供的电阻允许第一有源区层618a和第二有源区层618b提供增加的总增益，该增加的总增益足以产生激光，即使发射侧反射镜的反射率减小。
例如，在具有单个有源区层的单个常规VCSEL二极管中，底部反射镜可能需要RB>99.99％的反射率，并且顶部反射镜可能需要RT>99.3％的反射率。在图6A至图6C的某些实施方案中，由发射侧分布式布拉格反射器603a提供的顶部反射率能够减小以刚好满足RT>98.5％。在一些实施方案中，发射侧分布式布拉格反射器603a的反射率的减小可通过使其具有更少的布拉格对来实现。
在电路模型650中，电源接触件605a用作阳极，在这里提供正偏置电压，并且接地层或接触件612用作阴极。在图6A至图6C的自混合干涉测量传感器600的实施方案中，正偏置电压可能需要比其中仅存在一个有源区层的实施方案中的正偏置电压更高才能产生激光，因为需要为第一有源区层618a和第二有源区层618b两者提供二极管电压降。在电路模型650中，发射侧分布式布拉格反射器603a和基部侧分布式布拉格反射器603b各自用作电阻器。
图4、图5A至图5B和图6A至图6C中的自混合干涉测量传感器的实施方案具有横向相邻的RCPD，该RCPD被设计为接收所发射的激光的反射，该反射不同于在激光VCSEL二极管中产生自混合干涉的反射。相对于图8和图9所述的自混合干涉测量传感器的附加和/或另选实施方案利用与激光VCSEL二极管垂直地相邻的RCPD。
图7A和图7B示出了如本文所示和所述的自混合干涉测量传感器700的制造和外延生长工艺。作为自混合干涉测量传感器700的外延生长的一部分，第一蚀刻阻挡层706(例如，InGaP蚀刻阻挡层)可在基板701上外延形成。用于VCSEL二极管702的半导体层可在第一蚀刻阻挡层706上外延形成。
第二蚀刻阻挡层704(例如，InGaP蚀刻阻挡层)可在组成VCSEL二极管702的半导体层的顶部部分上外延生长。第二蚀刻阻挡层可将用于VCSEL二极管702的半导体层与用于RCPD 722的半导体层分开。如图7A所示，RCPD 722可由第二蚀刻阻挡层704外延形成。基板层708可形成于或以其他方式设置在用于RCPD 722的半导体层上方。
VCSEL二极管702可包括邻近第一蚀刻阻挡层706的发射侧分布式布拉格反射器703a、氧化物层716(例如，高铝AlxGa1-xAs层，其中X大约等于0.98)、有源区层718，以及邻近第二蚀刻阻挡层704的基部侧分布式布拉格反射器703b。在一些实施方案中，有源区层718可以是多个正向偏置量子阱(例如，被配置为生成光的正向偏置量子阱)。在一些实施方案中，包括有源区层718的量子阱的数量可少于六个和/或可具有小于10nm的量子阱厚度。基部侧分布式布拉格反射器703b和发射侧分布式布拉格反射器703a可如前所述起作用。
RCPD 722可包括发射侧分布式布拉格反射器723a、有源区层724和基部侧分布式布拉格反射器723b。发射侧分布式布拉格反射器723a和基部侧分布式布拉格反射器723b可如前所述起作用。有源区层724可以是光子吸收层(例如，InGaAs光子吸收层)。在一些实施方案中，有源区层724具有介于15nm和60nm之间的厚度。在一些实施方案中，有源区层724可由量子阱形成。基板层708可在RCPD 722上方(例如，邻近基部侧分布式布拉格反射器723b)生长和/或定位。
图7B示出了在发生倒装芯片工艺之后的自混合干涉测量传感器700。在图7B中，基板701和第一蚀刻阻挡层706可已经在移除工艺期间被移除。基板层708可被定位成邻近接地接触层712。如图7B所示，自混合干涉测量传感器700可上下翻转(例如，在倒装芯片工艺中)，使得例如VCSEL二极管702定位在RCPD 722上方。在倒装芯片工艺之后，自混合干涉测量传感器700可经历进一步的基板移除工艺，并且可转变为下文相对于图8所示和所述的自混合干涉测量传感器800。
图8示出了自混合干涉测量传感器800的构型，其可包括与RCPD 822垂直地相邻的VCSEL二极管802。自混合干涉测量传感器800可通过上文相对于图7A和图7B所述的工艺来制造和外延生长，或者可如本文所述从基板层808向上外延生长。用于RCPD 822的半导体层可在基板808上外延形成。接地接触层812可形成在基板中或形成在基板上，诸如形成在基板808的与RCPD 822相对的一侧上。
蚀刻阻挡层804(其可为InGaP)可将用于RCPD 822的半导体层与形成VCSEL二极管802的另外的层分开。VCSEL二极管802可包括邻近蚀刻阻挡层804的基部侧分布式布拉格反射器803b、有源区层818、氧化物层816和发射侧分布式布拉格反射器803a。基部侧分布式布拉格反射器803b和发射侧分布式布拉格反射器803a如前所述起作用。可连接的电源接触件805a和805b附连到VCSEL二极管802的最顶层。
RCPD 822自身可被构造成具有定位在发射侧分布式布拉格反射器823a和基部侧分布式布拉格反射器823b之间的有源区层824。基部侧分布式布拉格反射器823b和发射侧分布式布拉格反射器823a如前所述起作用。用于RCPD 822的半导体层可横向延伸超过形成VCSEL二极管802的半导体层。此类构型可通过初始外延形成自混合干涉测量传感器中包括的所有层，然后蚀刻VCSEL二极管802的层的一部分来形成。电源接触件825在RCPD的横向延伸超过VCSEL二极管802的位置处附连到该RCPD的最顶层。
在操作中，将正向电压偏置+V偏置施加到电源接触件805a和805b，这引起偏置电流I偏置流入VCSEL二极管802并引起激光306a的发射，如前所述。在VCSEL二极管802发射激光的时间的至少一部分，RCPD 822可通过在电源接触件825处施加负电压-VPD而被反向偏置，以引起光电探测器电流IPD的流动。除了所发射的激光306a之外，在有源区层818中产生的激光中的一些激光可被向下引导并且在反向偏置的RCPD 822中被吸收或接收。
如果所发射的激光306a中的一些激光从物体(未示出)反射并且被接收在VCSEL二极管802中，则可发生自混合干涉，该自混合干涉引起所发射的激光306a的波长的改变。此类改变的激光中的一些激光随后可被接收在RCPD 822中，从而在光电探测器电流IPD或RCPD822的另一电特性或干涉特性中产生能够测量的变化。这种能够测量的变化可用于推断反射物体的距离或运动。
图9示出了自混合干涉测量传感器900的构型。该自混合干涉测量传感器可包括VCSEL二极管902和横向相邻的RCPD 932。RCPD 932形成为在基板908上外延形成的一组公共半导体层的一部分。VCSEL二极管902垂直地形成在该组公共半导体层上方。沟槽910可至少部分地穿过该组公共半导体层被蚀刻而成，以在VCSEL二极管902和RCPD 932之间提供电分隔。
从该组公共半导体层起，VCSEL二极管902可依次包括：蚀刻阻挡层904、形成基部侧分布式布拉格反射器903b的半导体层、有源区层918、氧化物层916，以及形成发射侧分布式布拉格反射器903a的半导体层。VCSEL二极管902的这些部分如针对图8的VCSEL二极管802所述。接触VCSEL二极管902的最顶层的是可连接的电源接触件905a和905b。
从基板908起，RCPD 932可依次包括：形成基部侧分布式布拉格反射器933b的半导体层、有源区层934，以及形成发射侧分布式布拉格反射器933a的半导体层。用于这三个结构的各层具有由沟槽910分开、在VCSEL二极管902下面的相应横向延伸部：层923b、层924和层923a。这些层可被构造为RCPD 922，如前所述。此外，该RCPD 922还可用于检测由正向偏置VCSEL二极管802发射的激光中的自混合干涉，如针对图8的实施方案所述。在基部侧分布式布拉格反射器903b的层923a和半导体层之间存在蚀刻阻挡层904，该蚀刻阻挡层可为InGaP。接触RCPD 932的最顶层的是可连接的电源接触件925a和925b。
自混合干涉测量传感器900可与先前的实施方案类似地操作。正向电压偏置+V偏置被施加到电源接触件905a和905b，这引起偏置电流I偏置流入VCSEL二极管902并引起激光306a的发射，如前所述。如果所发射的激光306a中的一些激光从物体(未示出)反射并且被接收在VCSEL二极管902中，则可发生自混合干涉，该自混合干涉引起所发射的激光306a的波长的改变。
在VCSEL二极管902发射激光的时间的至少一部分，RCPD 932可通过在电源接触件925处施加负电压-Vpd而被反向偏置。所改变的激光中的其他反射随后可被接收在RCPD 932中，从而在光电探测器电流IPD或RCPD 922的另一电特性或干涉特性中产生能够测量的变化。这种能够测量的变化可用于推断反射物体的距离或运动。
图10示出了自混合干涉测量传感器的有源区层1000的量子阱构型。有源区层1000可包括量子阱1002a至1002c，并且可由第一势垒1004和第二势垒1006界定。在一些实施方案中，有源区层1000可对应于VCSEL二极管702的有源区层718，如上文相对于图7A和图7B所述。在此类实施方案中，有源区层1000可被配置为发射光(例如，光子)，并且量子阱1002a至1002c可以是正向偏置的量子阱。在另选的或另外的实施方案中，有源区层1000可对应于RCPD 722的有源区层724，如上文相对于图7A和图7B所述。在此类实施方案中，有源区层1000可被配置为吸收光(例如，光子)，并且量子阱1002a至1002c可反向偏置。在反向偏置下，量子限定斯塔克效应(QCSE)可以使量子阱1002a至1002c具有光子吸收性，并且可将吸收的光转换为光电流信号。
在一些实施方案中，三个量子阱1002a至1002c可定位在有源区层1000中。在一些实施方案中，有源区层1000中可存在最多六个量子阱。在另外的实施方案中，有源区层1000中可存在六个或更多个量子阱。在一些实施方案中，每个量子阱1002a至1002c的厚度可小于10nm。在一些实施方案中，每个量子阱1002a至1002c的厚度可等于或大于10nm。量子阱1002a至1002c可在相对于图7A和图7B所示和所述的外延生长工艺期间形成，或者可在相对于图8所述的反向外延生长工艺期间形成。
其他示例和具体实施在本公开和所附权利要求的范围和实质内。例如，实现功能的特征也可在物理上位于各个位置处，包括被分布成使得功能部分在不同的物理位置处实现。此外，如本文所用，包括在权利要求中，在前缀为“至少一个”的一系列项中使用的“或”指示分离性列表，使得例如“A、B或C中的至少一者”是指A或B或C，或者AB或AC或BC，或者ABC(即，A和B和C)。另外，术语“示例性”并不意味着所述示例为优选的或比其他示例更好。
为了说明的目的，前述描述使用具体命名以提供对所述实施方案的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，不需要具体细节即可实践所述实施方案。因此，出于例示和描述的目的，呈现了对本文所述的具体实施方案的前述描述。这些描述并非旨在是穷举性的或将实施方案限制到所公开的精确形式。对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根据上面的教导内容，许多修改和变型是可行的。

Claims (22)

1.一种自混合干涉测量(SMI)传感器，所述SMI传感器包括：
垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管；以及
谐振腔光电探测器(RCPD)，所述RCPD与所述VCSEL二极管横向相邻；
其中：
所述VCSEL二极管和所述RCPD包括形成在公共基板上的一组公共半导体层；
所述一组公共半导体层包括有源区层；
所述VCSEL二极管和所述RCPD至少部分地由至少部分地延伸穿过所述一组公共半导体层的沟槽分开，所述沟槽延伸穿过所述有源区层；以及
所述VCSEL二极管包括与所述一组公共半导体层堆叠的附加半导体层。
2.根据权利要求1所述的SMI传感器，其中：
所述附加半导体层包括与所述一组公共半导体层相邻的蚀刻阻挡层；以及
偏置电源电接触件连接到所述附加半导体层中的离所述一组公共半导体层最远的层。
3.根据权利要求2所述的SMI传感器，其中所述附加半导体层形成在所述一组公共半导体层上。
4.根据权利要求1所述的SMI传感器，其中：
所述VCSEL二极管被配置为在正向偏置下发射激光，并且经历由所发射的激光来自物体的第一反射或反向散射引起的自混合干涉，所述自混合干涉改变所发射的激光的特性；
所述RCPD被配置为在由所述VCSEL二极管发射所述激光期间反向偏置，并且接收所发射的激光来自所述物体的第二反射或反向散射；以及
所述RCPD产生与所发射的激光的所改变的特性相关的能够测量的参数。
5.根据权利要求4所述的SMI传感器，所述SMI传感器还包括：
处理电路，所述处理电路被配置为：
测量由所述RCPD产生的所述能够测量的参数；以及
至少使用所测量的参数来确定所述物体的位移或运动中的至少一者。
6.根据权利要求4所述的SMI传感器，其中所述VCSEL二极管被配置为发射具有940纳米的固有波长的所述激光。
7.根据权利要求1所述的SMI传感器，其中所述RCPD内的所述有源区层被掺杂为具有比所述VCSEL二极管内的所述有源区层更窄的带隙。
8.一种自混合干涉测量(SMI)传感器，所述SMI传感器包括：
第一垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管；
第二VCSEL二极管，所述第二VCSEL二极管与所述第一VCSEL二极管横向相邻；以及
谐振腔光电探测器(RCPD)；
其中：
所述第一VCSEL二极管和所述第二VCSEL二极管包括形成在公共基板上的一组公共半导体层；
所述一组公共半导体层包括有源区层；
所述第一VCSEL二极管和所述第二VCSEL二极管至少部分地由至少部分地延伸穿过所述一组公共半导体层的沟槽分开；以及
所述RCPD被定位成在所述第二VCSEL二极管的与所述公共基板相对的一侧上与所述第二VCSEL二极管垂直地相邻。
9.根据权利要求8所述的SMI传感器，其中：
所述第一VCSEL二极管被配置为在正向偏置时发射激光，并且经历由接收来自物体的第一反射或反向散射引起的自混合干涉，所述自混合干涉改变所发射的激光的特性；
所述RCPD和所述第二VCSEL二极管被配置为在由所述第一VCSEL二极管发射所述激光期间反向偏置；
所述RCPD被配置为接收所发射的激光来自所述物体的第二反射或反向散射；以及
所发射的激光的所改变的特性能够使用所述RCPD的所测量的参数来检测。
10.根据权利要求8所述的SMI传感器，其中所述RCPD包括结层，所述结层包含与所述有源区层中的第二半导体材料不同的第一半导体材料。
11.根据权利要求10所述的SMI传感器，其中所述RCPD的所述结层的所述第一半导体材料为砷化铟镓。
12.根据权利要求8所述的SMI传感器，所述SMI传感器还包括位于所述RCPD和所述第二VCSEL二极管之间的蚀刻阻挡层。
13.根据权利要求8所述的SMI传感器，其中所述第一VCSEL二极管被配置为发射具有940纳米的固有波长的所述激光。
14.根据权利要求8所述的SMI传感器，其中所述有源区层包括：
第一有源区层；
第二有源区层；以及
隧道结层，所述隧道结层位于所述第一有源区层和所述第二有源区层之间。
15.根据权利要求14所述的SMI传感器，其中所述隧道结层包括第一子层和第二子层，所述第一子层包括高掺杂n型半导体，所述第二子层包括高掺杂p型半导体。
16.根据权利要求14所述的SMI传感器，其中：
所述第一VCSEL二极管具有反射率小于99.0％的发射侧分布式布拉格反射器。
17.根据权利要求8所述的SMI传感器，其中：
所述RCPD包括发射侧分布式布拉格反射器和基部侧分布式布拉格反射器；以及
所述发射侧分布式布拉格反射器具有比所述基部侧分布式布拉格反射器更少的布拉格对。
18.一种自混合干涉测量(SMI)传感器，所述SMI传感器包括：
垂直腔面发射激光(VCSEL)二极管；以及
谐振腔光电探测器(RCPD)，所述RCPD与所述VCSEL二极管垂直地相邻；
其中：
所述VCSEL二极管包括形成在基板上的第一组半导体层；
所述RCPD包括第二组半导体层，所述第二组半导体层与所述基板相对地形成在所述第一组半导体层上；
所述VCSEL二极管被配置为在正向偏置时发射激光，并且在接收到所发射的激光来自物体的反射或反向散射时经历自混合干涉，所述自混合干涉改变所发射的激光的特性；以及
所述RCPD被配置为在由所述VCSEL二极管发射所述激光期间反向偏置，并且检测所发射的激光的所述特性的改变。
19.根据权利要求18所述的SMI传感器，所述SMI传感器还包括位于所述第一组半导体层和所述第二组半导体层之间的蚀刻阻挡层。
20.根据权利要求18所述的SMI传感器，其中所述VCSEL二极管被配置为发射具有940纳米的固有波长的所述激光。
21.根据权利要求18所述的SMI传感器，其中所述VCSEL二极管附加地包括用于发射光的正向偏置量子阱。
22.根据权利要求18所述的SMI传感器，其中所述RCPD附加地包括用于吸收光的反向偏置量子阱。
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